C – Ausbreitung von Schall

Wir haben Bewegung als Ursache von Schall ausgemacht und Schall als eine sich ausbreitende Störung in einem elastischen Medium beschrieben. Betrachten wir dies noch einmal genauer in verschiedenen Medien und klären:

      1. Wie breitet sich Schall in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern aus?
      2. Was geschieht mit Schall im Vakuum?
      3. Warum breitet sich Schall in verschiedenen Medien mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus?

C.1 Schallausbreitung in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern

Luft als Beispiel von Gasen: Betrachten wir die schwingende Gitarrensaite: Wird die Gitarrensaite wird angezupft, gerät sie in Schwingung. Bei ihrer Hin- und Herbewegung stößt sie die umgebenden Luftteilchen in einer periodischen Wechselbewegung an. Die Luftteilchen geraten ebenfalls in Bewegung und geben die Bewegung an benachbarte Teilchen weiter. Dadurch breitet sich die Schallwelle im Raum aus. Bei dieser Schallwelle in Gasen (und auch in Flüssigkeiten) handelt es sich auch um eine sogenannte Druckwelle. Das bedeutet, dass es abwechselnd Bereich mit höherem Druck (also einer höheren Dichte an Luftteilchen als im Gleichgewichtszustand) und niedrigerem Druck (also eine niedrigeren Dichte an Luftteilchen als im Gleichgewichtszustand) gibt – nämlich immer abwechselnd Bereiche, in denen die Teilchen entweder näher zusammengeschoben oder (durch die Verschiebung und das Zurückschwingen der Saite) ausgedünnt sind. Dies ist in Abbildung C.1 als eine Momentaufnahme dargestellt. Hierbei sind die Luftteilchen natürlich übertrieben vergrößert und in ihrer Anzahl stark reduziert aufgezeichnet. Eine animierte Version dieser Druckwelle finden Sie unter:

Link zu Leifi Longitudinalwelle

Wasser als Beispiel von Flüssigkeiten: In Flüssigkeiten wie Wasser würde die Schallausbreitung ähnlich aussehen. Dass sich die Teilchen hier allerdings näher aneinander befinden und auch teilweise durch Wasserstoffbrücken und weitere Kräfte aneinander gebunden sind, führt zu einer stärkeren Kopplung der Teilchen untereinander. Eine stärkere Kopplung wiederum bewirkt, dass sich eine Bewegung einfacher ausbreiten kann. Die Schallgeschwindigkeit ist daher in Flüssigkeiten höher als in Gasen (siehe auch Abschnitt C.3)

Die dünne Saite einer Gitarre kann übrigens nur sehr wenig Luftteilchen in Bewegung versetzen. Das lässt sich gut nachvollziehen, wenn man wieder das Gummiband bemüht, das zwischen zwei Fingern gespannt angezupft wird. Der Schall ist hier nur sehr leise. Dies ändert sich allerdings deutlich, wenn sich die schwingende Saite auf einem sogenannten Klangkörper befindet. Das kann der Korpus der Gitarre sein oder auch ein einfacher Schuhkarton oder ähnliches. Wenn die schwingende Saite auch den Klankörper mit in Bewegung versetzen kann, so schwingt eine deutlich größere Fläche, die wiederum deutlich mehr Luftteilchen in Bewegung versetzen kann. Wie der Klangkörper genau schwingt und was es mit der speziellen Form der Klangkörper von Saiteninstrumenten auf sich hat, dazu gibt Abschnitt E Auskunft.

Diese Ausbreitung der Druckwelle kann man auch in einem sehr einfachen Versuch verdeutlichen (siehe Abbildung C.2): Das Tambourin auf der linken Seite wird angeschlagen und das Fell beginnt zu schwingen. Dadurch stößt es Luftteilchen an und die Druckwelle breitet sich durch den Raum aus – auch in Richtung des zweiten Tambourins auf der rechten Seite. Dieses beginnt angestoßen durch die ankommenden Luftteilchen ebenfalls an zu schwingen, wodurch der kleine dicht vor dem Fell aufgehängt Tischtennisball sich in Bewegung versetzt und gegen das Tambourin titscht.

Schallwellen sind Longitudinalwellen (Längswellen): Wenn wir diese (Druck-)Schallwellen betrachten fällt ein weiterer Unterschied zu Lichtwellen auf: Wenn sich eine Lichtwelle in x-Richtung ausbreitet, dann schwingen elektrisches und magnetisches Feld quer dazu in y- und z-Richtung. Solche Wellen nennt man auch Querwellen oder Transversalwellen. Im Gegensatz dazu breitet sich Schall als eine Längswelle oder auch Longitudinalwelle aus. Die Bewegung der Teilchen erfolgt in Richtung der Ausbreitung der Welle.

Eine Ausnahme stellen Festkörper dar, in denen Schalwellen auch als Transversalwellen vorkommen können. Da hier die Teilchen genügend stark aneinander gekoppelt sind, können sie auch eine Bewegung quer zur Ausbreitungsrichtung weiterleiten. Dies ist auch in Flüssigkeiten zum Teil erfüllt.

Das folgenden Videos verdeutlicht noch einmal den Unterschied zwischen Longitudinalwelle und Transversalwelle anhand einer Spiralfeder, die die Teilchen des Mediums darstellt.

C.2 Schall im Vakuum

Könnten wir die Explosion einer Supernova hören? Wenn sie laut genug ist? Wenn wir lange genug warten? – Nein, das wäre nicht möglich. Denn in den Weiten des Universums ist keine durchgehende Materie, die den Schall übertragen könnte. (Weswegen auch der Begriff „Urknall“ recht irreführend ist.) Im Vakuum kann darum keine Schallübertragung stattfinden. Das folgende Video zeigt dies anhand einer sogenannten Vakuumglocke. Unter dieser Glocke werden ein Wecker, eine Klingel oder ein ähnlicher Schallerzeuger platziert. Mit Hilfe einer Pumpe wird nun die Luft aus der Glocke herausgesaugt. Wenn die Luft fast vollständig herausgesaugt ist, wird der Schall deutlich leiser. Ist die Qualität der Pumpe hoch genug, verschwindet der zu hörende Schall vollständig.

C.3 Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien

Die Geschwindigkeit von Schall – vor allem in Luft – zu vermessen, hat auch eine lange Tradition in der Physik und ist auch viel leichter zu realisieren als beispielsweise die Messung der Lichtgeschwindigkeit. Bei einer einfachen Schallgeschwindigkeitsmessung macht man sich zu Nutze, dass ein akustisches Signal viel länger braucht als ein visuelles Signal – dass sich also Schall deutlich langsamer ausbreitet als Licht. Das kennt man auch vom Sportplatz: Wird an der Startlinie eine große gut sichtbare Klappe zugeschlagen, ist das Zuschlagen an der Ziellinie zu sehen bevor man den Knall hören kann. Aus der Zeitdifferenz t (0,3s) und der Strecke d zwischen Start- und Ziellinie (100m) ließe sich die Schallgeschwindigkeit berechnen: c = t / d = ca. 335 m/s. Um eine solche kleine Zeitdifferenz zu messen, benötigt man Messwerterfassungssysteme – oder man vergrößerte die Strecke und damit auch die Zeitdifferenz, so dass sich die Zeit sogar mit der Hand mit einer gewissen Genauigkeit stoppen lässt. So gibt es beispielsweise Berichte über historische Messungen von zwei Hügel und dem Abfeuern einer Kanone für das visuelle und akustische Signal.

Für die Schallgeschwindigkeit in Luft ergibt sich bei ca. 20oC und Normaldruck ein Wert von 343 m/s. Allgemein gilt je dichter die Medien sind, desto besser leiten sie den Schall. Beispielsweise ist Diamant ein extrem fester Stoff mit einer sehr starken Kopplung zwischen den einzelnen Kohlenstoffatomen. Die Schallgeschwindigkeit in einem Diamant ist daher über 50 Mal höher als in Luft (siehe Tabelle zu Schallgeschwindigkeiten in Medien).

Zur Ausbreitung, Geschwindigkeit und Reichweite von Schall finden sie unter den unterstehenden Links auch informative Videos von Planet Schule.

Planet Schule – Schall auf Tauchstation

Planet Schule – Schallparade